煤与岩石声波特性是地震地球物理勘探的基础,开展加载条件下煤体应力应变的超声响应,对利用声波测井技术测定煤岩结构与物质构成有很大意义。为模拟不同埋深煤体储层实际地应力条件,开展了低围压高轴压、高围压低轴压以及高围压高轴压条件下煤体三轴加载实验。通过对古汉山矿原生结构无烟煤不同方向(平行层理方向,包括平行面割理X、平行端割理Y及垂直层理方向Z)进行不同围压条件的三轴加载超声波-应变响应特征实验,分析得到无烟煤不同地应力条件下超声波各向异性响应特征的一般规律,并结合三轴加载过程中体积应变以及裂隙率模型,从受载煤体的裂隙各向异性特征进一步分析煤层由浅至深孔裂隙变化规律及结构特征,分析裂隙率与超声波各向异性之间的关系,为加载状态下的超声波响应特征来定性判识煤岩结构特征提供有效理论依据。研究表明:(1)加载煤体超声波纵(V_p)横(V_s)波速和纵(Q_p)横(Q_s)波品质因子呈现规律性变化,各向异性增强。加载起始时,围压较低,平行层理方向纵横波速相近,随着围压增大,各向异性增强,但垂直层理方向的纵横波速,均较平行层理方向小;煤体纵横波品质因子各向异性明显:纵波品质因子Q_p呈现出X>Y>Z规律,横波品质因子Q_s呈现出Y>X>Z规律。表明在煤体的成分相近的情况下,平行层理X、Y方向煤体内部结构差异即本身裂隙的方位走向是造成煤体超声特征变化的原因。(2)低围压高轴压时,随着轴压的增加,煤体经历了压密阶段和弹性阶段,V_p呈二次增长,X方向煤体V_p增幅明显大于Y、Z方向;高围压低轴压时,X、Y方向煤体V_p呈线性缓慢增长斜率较小;高围压高轴压时V_p仍呈线性增长斜率较大;高围压状态,Z方向煤体V_p呈线性增长。不同围压状态下,平行层理方向煤体V_s规律与V_p基本一致;高围压状态,Z方向煤体V_s呈二次增长。在不同加载状态下,煤体内部孔裂隙结构的改变对V_p特征影响明显,对V_s特征影响较为复杂,体现在V_s变化幅度小且具有一定离散性。(3)三轴加载全过程,Q_p呈现出X>Y>Z规律即纵波衰减Z>Y>X。不论围压高低,随着轴压增大,Q_p呈线性增长,但随着围压增高,Q_p与V_p变化规律趋于一致,围压越大一致性越明显,且X、Y方向Q_p增幅大于Z方向;低围压时,随着轴压增大,三个方向Q_s呈二次增长;高围压时,随着轴压增大,三个方向Q_s先基本趋于稳定但存在一个临界轴压值,当轴压超过该临界值后,Q_s随轴压增大呈二次增加。(4)不同围压条件下,三个方向煤体V_p-裂隙率均存在很好的负线性相关性,V_p-裂隙率的平均拟合度为Z>X>Y;且三个方向煤体V_p-裂隙率线性拟合斜率为X>Y>Z。三个方向煤体V_s-裂隙率拟合度较低,平均拟合度与V_p-裂隙率规律不同:X>Y>Z;且V_s-裂隙率线性拟合斜率规律不明显。表明在加载过程中V_p与该裂隙率模型的拟合度更高,因此V_p的变化规律较V_s更能准确反映出不同围压状态下煤体孔裂隙变化特征。(5)随着围压的增大,裂隙率呈减小趋势,Q_p、Q_s呈增加趋势,围压对裂隙率的影响大于轴压,且X、Y方向煤体裂隙率减幅相似小于Z方向。不同围压条件下,三个方向煤体Q_p-裂隙率存在很好的负线性相关性,平均拟合度与V_p-裂隙率的规律一致Z>X>Y;Q_s-裂隙率平均拟合度规律不明显。三个方向煤体Q_p-裂隙率线性拟合斜率为X>Y>Z,与Vp、Qp各向异性规律相同;X、Y方向煤体Q_s-裂隙率拟合线斜率相似大于Z方向,但相同状态下较Q_p-裂隙率拟合线斜率低,与Vs、Qs各向异性规律相同。综上所述,本文通过超声波-应变测试手段研究了不同地应力条件下煤孔、裂隙变化与超声波的各向异性变化特征,为利用地球物理方法研究煤储层物性提供了一定的理论支持。